基于光学系统对跟踪探测的影响,结合仪器功能,提出了一种基于胶合透镜减小跟踪偏移量的方法,实现了对飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化;改进了准直扩束光路,细化了光学系统,分析了优化后光学系统在接收功率和杂光方面对跟踪探测的影响机理。基于优化的光学系统设计,搭建实验系统进行了探测实验。实验结果表明,补偿后的跟踪探测精度可达3 μm,这满足仪器精密跟踪要求。

提出一种将EPnP算法和SoftPOSIT算法融合的单目视觉姿态自动测量方法.首先, 利用EPnP算法计算得到立体靶标的位姿参数, 并将该位姿参数作为SoftPOSIT算法的迭代初始值带入.其次, 将SoftPOSIT算法计算位姿的的迭代过程与立体靶标结合, 实现姿态的自动测量, 并仿真验证了拓扑确定位姿的有效性.最后, 为了验证姿态测量结果的精度, 以高精度二维转台为基准, 将立体靶标安装在二维转台中, 通过控制转台转动角度得到靶标姿态的测量数据.实验结果表明, 当转台转动角度在［-20°, 20°］时, 靶标姿态角α的测量结果标准差为0.20°, 姿态角β的测量结果标准差为0.27°.

针对机械臂全工作空间域位姿误差估算，提出了非参数化约束的运动学误差综合解算与动态估算方法。基于误差等效微分变量和多关节运动的连杆坐标系误差等效微分变换，构建了机械臂运动学动态非参数化约束的位姿误差模型。将多因素产生末端位姿误差归结为与关节转角变量有关的周期性动态函数变化，实现了机械臂综合误差的动态函数化描述。根据多连杆坐标系关节运动耦合规律，设计了多关节运动空间坐标系位姿在线解耦变换与补偿算法。全工作空间域验证实验中，误差估算值与测量值之间的位置坐标的最大绝对值偏差小于0.01 mm，姿态角的最大绝对值偏差小于0.03°。实验结果表明，该方法可提高机械臂全工作空间域位姿误差估算的精度与可靠性。

针对大型装备智能制造中的机器人在线位姿激光跟踪测量与实时引导需求, 提出了一种机器人坐标系与激光测量坐标系标定转换和解算方法。设计了基于距离原则的机器人末端光学工具中心点TCP(Tool Center Point)位置标定算法。通过运用空间点坐标重心化配置算法和基于罗德里格矩阵变换的最小二乘优化算法解算出了具有单位正交性的位姿变换旋转矩阵。进行了机器人坐标系位姿变换激光测量标定和优化对比实验, 旋转矩阵初值和正交优化值进行点坐标转换后的综合RMSE分别为0.579 0 mm和0.501 5 mm。结果表明该方法能够有效改进姿态旋转矩阵正交性, 并提高位姿变换解算精度。

针对测角系统在线校准问题,提出了一种基于多读数头布局的自校准方法。通过多组传感器的测量数据,利用圆封闭原则和傅里叶级数的性质,建立测量值与误差之间的函数关系,并基于多读数头布局原理,对自校准读数头布局进行优化,以提高校准方法对误差的抑制能力,实现单读数头测角传感器的自校准。设计了单轴转台,搭建了自校准测角系统,并进行了实验验证。实验结果表明:测角系统采用自校准方法后,单读数头测角传感器的测角误差为6.10″,在相同的测量环境下,其校准精度接近借助外部参考标准的传统谐波标定方法。自校准方法可有效抑制测角误差,显著提高测量精度。

扫描补偿系统是3DLIF水体测量系统中实现大尺寸平面激光等光程扫描的关键部分，决定了平面激光光束在流体水槽中的定位精度；系统3 000 mm长的光程和500 mm宽的光源使定位精度难以保证。针对该问题，分析了扫描补偿系统中可能存在的误差因素和各项因素之间的影响关系，建立了相关误差模型并进行仿真分析，对得到的误差数据进行了多项式拟合，拟合结果显示，棱镜制造角差和平面反射镜绕z轴的俯仰为影响位置误差的主要因素；为了减小误差，进一步分析拟合结果，得到了两项因素之间的关系表达式，提出了以仿真结果指导装调来减小误差的方法。最终仿真结果显示，通过该方法使平面激光在水槽中的位置误差可以从0.618 mm减小到0.103 mm。

为了解决测角系统在实际应用中的在线校准问题, 设计了一种圆光栅测角传感器在线自校准系统。基于圆封闭原则和傅里叶级数的性质, 建立了测量值与单读数头误差之间的关系, 实现单读数头自校准。该自校准系统由读数头、玻璃圆光栅、单轴转台和多通道采集控制系统组成。实验结果表明, 测角传感器自校准系统的单读数头测量精度为±5.90″, 接近于借助外部参考标准的谐波补偿方法后的精度, 系统测量重复性小于0.76″。自校准测量系统可实现圆光栅测角传感器在线校准的同时, 满足了精密测量领域对精度和可靠性的要求。

在不增大码盘尺寸的前提下, 对测角传感器读数头的布局展开研究, 以研制小型化高精度的测角传感器。本文基于测角误差的谐波分析结果, 详细推导和分析了多读数头布局对角度测量误差的抑制原理。通过对几种典型多读数头布局方式进行深入研究, 提出一种采用奇数头和偶数头相结合的读数头混合布局方式, 以消除更多更高阶次误差, 提高测角传感器的精度。实验结果表明, 当采用三个、四个和六个读数头均匀布局形式时, 测角传感器的测角精度分别为15.44″、9.72″和8.96″; 当采用六个读数头优化布局的方式时, 测角精度可达到7.7″。上述结果说明多读数头优化布局可有效抑制测角误差, 提高测量精度。

光电自准直经纬仪是一种集成了光电自准直仪和经纬仪双重功能的精密测量系统, 其光路由目视内调焦望远系统和光电自准直系统两部分组成。首先提出共光路光学系统的设计原理与方法, 优化设计成像清晰的内调焦望远系统和分辨率较高的自准直光学系统。然后对影响成像质量最大的多胶合棱镜进行公差分析和设计, 给出既满足成像要求又兼具经济性的加工公差值。最后对设计的光学系统进行精度测试。测试结果表明, 所设计的光学系统在±20″视场范围内自准直精度达到0.6″, 可以满足设计要求。

飞秒激光跟踪仪通过PSD探测脱靶量实现目标跟踪, 脱靶量零位是跟踪激光指向反射靶球的中心时反射激光在PSD上输出的光斑位置, 跟踪时以脱靶量零位作为基准计算目标脱靶量, 因此如何准确标定脱靶量零位是仪器实现精确测量的前提。文中在分析角反射器特性的基础上, 结合仪器自身特点提出了一种基于角反射器的飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法。分析了脱靶量零位误差对仪器指向精度的影响; 建立了跟踪脱靶量标定误差模型; 根据仪器结构设计和轴系几何误差对脱靶量零位标定方法进行了仿真, 结果显示, 其误差小于17.8 ?滋m, 当目标距离仪器10 m时, 仪器的指向误差小于1.1″, 该结果对系统误差补偿模型建立奠定了基础。最后, 基于实际装置对仪器的脱靶量零位进行了标定, 为后续仪器的动态测量提供了跟踪基准。